使用水力特性分析仪基于简单蒸发实验的土壤水势和电导率测量

摘要

本文介绍了一个使用水力特性仪器对土壤样品进行的简单蒸发实验。通过有效的方法，可以在几天内进行测量，以生成高质量的数据。

摘要

土壤水力特性的测量对于了解土壤健康的物理组成部分以及各种管理实践下土壤系统的综合知识至关重要。收集可靠的数据对于为影响农业和环境的决策提供信息至关重要。这里描述的简单蒸发实验使用实验室环境中的仪器来分析在野外收集的土壤样本。通过仪器测量样品的土壤水分张力，并通过软件对张力数据进行建模，以返回土壤水力特性。该方法可用于测量土壤保水率和水力传导率，并深入了解处理或环境动态随时间的变化。初始构建需要用户，但数据采集是使用仪器自动进行的。土壤水力特性不容易用传统实验测量，该协议提供了一种简单且最佳的替代方案。讨论了结果的解释和扩展数据范围的选项。

引言

自然和人为改变环境中的土壤保水率和水力传导率有助于我们了解和观察土壤健康和功能的变化。通过土壤保水曲线 （SWRC） 和土壤水电导率曲线量化水力特性，可以深入了解土壤物理行为和水运动特征的关键驱动因素¹。体积含水量 （θ） 和基质水头 （h） 之间的关系在 SWRC 中表示，曲线中的范围描述饱和点、场容量和永久消萎点²。土壤管理实践、改良、农业生态系统类型和环境条件都会对土壤水力学产生影响 ^3,4。这些因素反过来又会影响溶质运输⁵ 和植物可用水⁶ 、土壤呼吸和微生物活动⁷ ，以及润湿和干燥循环⁸。作为量化健康和功能土壤的重要组成部分，对 SWRC 进行适当的分析对于获得对土壤水力特性的知情理解至关重要。

目前有多种测量技术可用于开发可靠的 SWRC，其中悬水柱法和压力板法是确定土壤孔径分布的常见传统方法²。传统方法可能非常耗时，通常需要数周或数月才能分析一小部分样品⁹。此外，一旦分析完成，这些方法只会产生几个数据点，为 SWRC⁹ 提供信息。此外，使用传统方法（如压力板）生成代表性数据的准确性在较低的基质电位下可能成为一个问题，尤其是对于细纹理土壤^10,11。更现代的技术，包括使用张力计的简单蒸发实验方法和冷镜露点法，往往可以在各种土壤质地中提供更具可重复性的数据²。简单的蒸发实验最初由 Wind 于 1968 年开发，涉及通过土壤样品中的张力计测量水质量变化和张力随时间的变化¹²。当蒸发发生时，以特定的时间间隔进行土壤样品质量测量以创建 SWRC。后来由 Schindler （1980） 改进，该方法仅涉及放置在土壤样品内不同压力头的两个张力计。然后对修改后的方法进行测试和验证，使其能够用于科学分析^13,14。简单蒸发实验的一个关键优点是可以轻松生成土壤水分曲线的大部分（0 至 -300 kPa）的数据，与传统方法相比，数据点更多。

这些现代方法涉及自动化仪器，这些仪器在整个样品分析期间获取大量数据点，并使用软件界面生成数据。水力特性仪表是一种现代仪表，可根据样品数据¹⁵ 创建保水曲线和电导率曲线。通过使用水力特性仪器进行简单的蒸发实验，可以评估土壤中含水量和水势之间的关系¹。在这个实验中，张力仪轴内的水与土壤溶液中的水处于平衡状态。随着土壤水分的蒸发和土壤样品的干燥，张力仪中发生空化，实验结束。在 SWRC 的干范围内，水力特性仪器存在限制，因为该仪器只能在 0 至 -100 kPa 的矩阵电位内运行。这可以通过包含使用土壤水势仪器¹⁶ 的冷镜露点实验生成的数据来补救，该仪器可以将数据范围扩展到 -300,000 kPa 或永久枯萎点。所有这些数据都汇集在建模软件后处理中，以紧密地通知 SWRC 从零张力到更高的张力，甚至超过枯萎点。然后，根据整个测量期间采集的矩阵电位数据点生成 SWRC 和水力传导率曲线，从而生成从饱和到永久萎蔫点的完整曲线。

这里描述的方法提出了一个使用水力特性仪器进行土壤分析的简洁操作程序。该方法已在许多科学环境中进行，包括量化广泛的农业生态系统中的土壤健康状况 3,17,18,19，并且已努力了解仪器用户手册²⁰ 之外的最佳实践。这里概述了程序所有步骤的标准化方案，包括现场采样、样品制备、软件功能和数据处理。遵循此方法将确保活动成功，从而获得可靠的数据。介绍了确保数据质量的关键步骤、常见挑战和最佳实践，以确保正确实施。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

研究方案

1. 土壤取样和样品制备

注意:该方法工作流程的示意图如图 1 所示。

1. 样本采集
   1. 挖掘高于所需采样深度的顶部几厘米，以去除不需要的碎屑，特别是松散的有机凋落物和土壤表面结皮。
   2. 将金属采样芯水平放置在裸露土壤的表面，锋利的边缘面朝向土壤表面;然后，将锤击支架放在戒指顶部。
   3. 使用橡胶槌反复敲击锤击架的顶部，直到金属采样芯的顶部与土壤表面对齐。
   4. 在金属取样芯周围挖掘;然后，在岩芯下方挖掘以将其从土壤中去除。
   5. 金属取样芯从土壤中取出后，用抹子或刀将金属取样芯的两侧调平;然后，在芯的两侧放置塑料盖。
   6. 将样本标签添加到金属芯。
2. 样品储存和使用
   1. 分析前将样品储存在大约 4 ^oC 的冰箱中。
   2. 将样品芯放入装有脱气去离子水的大塑料容器中，至少在分析前 24 小时使样品饱和。首先，取下金属采样芯平边侧的塑料盖，在上面放置一个纸质咖啡过滤器，然后放置一个饱和板。然后，将核心和饱和板倒置到容器中，并在土壤样品顶部 1 cm 范围内填充脱气的去离子水。根据需要用脱气的去离子水重新填充容器，直到土壤达到饱和。
      注意:当土壤的裸露表面可见水时，就会发生饱和。

2. 传感器单元和张力仪设置

1. 表面张力仪制备
   1. 将张力计在脱气的去离子水中浸泡 24 小时:每个传感器单元一个高（50 毫米长）和一个短（25 毫米）张力计，用于分析活动。
   2. 密封装有张力仪的容器，以限制大气扩散到水中。
2. 通过真空泵方式对传感器单元进行脱气
   注意:对于将在活动中使用的每个传感器单元，请完成以下步骤。
   1. 使用 20 mL 注射器和细尖针头将脱气去离子水填充到端口顶部。将灯照射到端口并评估是否存在碎屑，确保压力传感器清洁。
   2. 将亚克力顶部放在传感器单元上并固定金属夹。将装有脱气去离子水的注射器插入丙烯酸顶部的开口中，并填充到丙烯酸头顶部的正下方。
   3. 通过将脱气装置上的"T"管插入亚克力头的顶部，将亚克力顶部连接到脱气装置上。
      注意:每个脱气装置上可以连接两个带有丙烯酸顶部的传感器单元。
3. 表面张力仪加注
   1. 将载物台安装杯放入脱气装置上的两个可用位置，然后用脱气去离子水填充杯子的 3/4。
   2. 将张力计拧入带螺纹的丙烯酸支架中;然后，移动黑色 O 形圈以与亚克力支架的顶部相接。放入载物台安装杯内的脱气去离子水中。
4. 开始真空脱气
   1. 确保所有连接都连接紧密以防止泄漏。
   2. 打开真空泵，直到达到 -0.4 Bar;然后，关闭真空泵，让系统均衡。再次打开真空泵，直到达到 -0.8 bar。
   3. 用厚毛巾轻敲传感器单元组件的底部，以去除传感器单元表面张力仪端口上的气泡。
   4. 将系统在真空下保持至少 24 小时。通过关闭真空并确保其保持压力来检查是否有泄漏。定期打开真空泵以使真空达到压力，因为随着系统平衡，真空会慢慢失去压力。
   5. 24 小时后，从亚克力顶部取下管子，并从亚克力支架上取下所有张力计。将短和高张力计放入装有脱气去离子水的单独烧杯中。

3. 发起活动

1. 传感器单元的准备
   1. 将传感器单元组合件插入系统连接线。
   2. 在连接的传感器单元下方放置毛巾等吸收材料，然后松开金属夹，取下亚克力顶部。
   3. 对于多传感器设置，对每个传感器单元组件重复步骤 3.1.1 和 3.1.2，对于单个传感器设置，请继续执行 3.A.iv。
   4. 单击数据测量软件以打开程序，然后单击 Show Devices 图标。
   5. 确保连接的所有传感器单元都显示在软件的侧边栏中。
2. 表面张力仪安装
   1. 单击软件顶部的 Refilling Wizard 图标以打开用户界面。从下拉菜单中，导航到相应的传感器单元。
      注意: 如果传感器的初始读数为 0 hPa （± 5 hPa），则传感器处于良好的工作状态。
   2. 从烧杯中选择一个表面张力计。确保轴中没有可见的气泡，并且表面张力仪轴顶部呈凸弯月面形成水。如果没有凸弯月面，请用注射器将更多脱气的去离子水添加到张力计的顶部。
   3. 将张力计上的黑色 O 形圈移动到螺纹的中心。
   4. 将张力计倒置到传感器单元上的积水中，同时保持凸弯月面完好无损。
   5. 将短表面张力仪安装在用短线表示的表面张力仪端口中。将高的表面张力仪安装在用长线表示的表面张力仪端口中。
   6. 小心地将张力计拧入张力计端口，同时观察 Current Readings（当前读数） 选项卡上的压力读数。通过将张力计旋转半圈到全圈来获得紧密密封。
      注意: 安装在张力仪端口上后，确保张力仪读数为 0 hPa （± 5 hPa）。
   7. 将装满脱气去离子水的硅球放在表面张力仪的顶部，以防止在安装其他表面张力仪时尖端干燥。
   8. 对活动中使用的每个表面张力计和传感器单元重复步骤 3.2.1 到 3.2.7。
3. 样品放置在传感器单元上
   1. 从脱气去离子水容器中取出饱和样品和相应的饱和板，并将它们放在工作表面上。
   2. 将螺旋导轨放在样品环的顶部。
   3. 将张力计轴螺旋入螺旋钻导轨的孔中，然后将张力计轴螺旋钻旋转一整圈以去除污垢。对第二个孔重复此操作。
      注意:跟踪每个孔在土壤样品中的深度，因为它对应于张力计的高度。
   4. 拆下螺旋导轨，确保土壤样品没有塌陷在孔中。
   5. 取下每个表面张力仪上的硅灯泡，并将硅盘放在传感器单元的顶部。
      注意: 确保硅片下没有空气，并且温度传感器没有被覆盖。
   6. 将样品芯上的孔与传感器单元上相应的张力计高度对齐。
   7. 倒置样品芯并将其放在传感器单元的顶部，将样品安装到张力仪上。
   8. 拆下咖啡过滤器和饱和板。使用位于传感器单元侧面的金属扣固定土壤芯。
   9. 对每个样品重复步骤 3.3.1 到 3.3.8。
4. 系统活动启动
   1. 设置好每个传感器单元后，输入金属芯上的样品标识，因为它对应于每个传感器单元序列号。输入字段营销活动的唯一名称，然后单击 Browse 以保存文件的位置。
   2. 单击 Start（开始）。
   3. 在完成两个张力计读数后，获取初始重量读数。首先，从传感器单元上拔下连接线，等待软件上出现对话框，然后将其放在体重秤上。一旦软件显示已获取重量读数，请取下传感器单元，然后将其重新插入连接线。对所有传感器单元重复上述步骤。
   4. 在测量的前 2 天每天称量样品 3 次，然后在活动的剩余时间内每天定期称量 2 次样品

4. 系统活动终止

1. 软件终止
   1. 样品到达空气入口点后，对每个传感器单元进行最终重量测量。
   2. 单击 Stop 并断开每个传感器单元的连接线。
2. 广告系列拆解
   1. 从传感器单元中取出样品芯。将所有土壤材料放入容器中，然后用烤箱烘干土壤样品。
      注意:如果处理细腻土壤，请在一小时内润湿每个土壤样品，然后再将其从传感器单元中取出。
   2. 取下硅胶盘，必要时用湿毛巾清洁传感器单元的顶部。
   3. 小心地从插槽中取出每个表面张力计。用软毛牙刷清洁表面张力仪的尖端，如果有脏，请用水清洁。
   4. 通过倒置装置并从安全清洗瓶中喷水来清洁传感器单元表面。
   5. 通过倒置传感器单元并用注射器将水喷入端口来清洁张力计轴端口。

5. 数据分析

1. 获取每个样品的干土重量和相应的金属芯。
2. 单击数据分析软件以打开程序，然后单击示例文件以在软件中打开数据。在 Information 选项卡的 Parameter 部分中输入金属芯的重量。
3. 单击 Measurements 选项卡 | 搜索 Air Entry Point。要微调空化点，请在张力仪数据范围内移动 起点 和 终点 的虚线。如果需要为软件指定 air 入口点，请对 air 入口点 执行相同的操作。
4. 单击 Evaluation 选项卡，然后在 Calculation of water contents 下，确保选择 From dry soil weight （g） （从干土重量 （g） ）。输入干燥土壤的重量。
5. 单击 Fitting 选项卡 | 应用最适合数据的模型。
6. 点击 导出 选项卡，选择文件路径，并确保文件以 .xlxs 格式导出。
7. 对每个土壤样品重复步骤 5.1 到 5.7。

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

结果

按照上述方案完成适当的测量活动后，就可以在分析软件中查看实验的数据输出。输出曲线来自测量水张力 （hPa） 随时间 （t） 变化的张力计读数，该数据的初始曲线在活动终止后立即生成。可以检查两个土壤样品的拉伸曲线的选定示例，以说明最佳和次优结果（图 2）。最佳结果应具有包含清晰空化和空气入口点的输出曲线，以便最好地通知 SWRC...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

讨论

使用此处描述的方法的简单蒸发实验方法是开发 SWRC 和水力传导率曲线的有效方法。数据测量的简单性和准确性使其成为更传统方法的可行替代方案¹⁴。这里描述的方法超越了用户手册和当前文献，以综合和扩展这种复杂乐器的更细节。需要特别注意土壤样品的采集、运输和分析过程，以生成高质量的数据。取样时，金属芯内的土壤应保持不受干扰。在?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
4 L Buchner Flasks (two)	Various	n/a	Containers for water degassing
20 mL Syringe, fine tip	BD	BD-302830
Coffee filter	Various	n/a	Prevents soil travel out of core while soaking
HYPROP Complete Set	Hoskin	110813/E240-M020210	tensiometer shaft auger, tube for vacuum syringe and refilling adapter, auger guide, HYPROP USB adapter, HYPROP sensor unit, tensiometer shafts (50 mm and 25 mm), saturation plate, refilling adapter, silicone gasket, set of o-rings, LABROS balance, software, cables
HYPROP Refill Unit	Hoskin	108899/ E240-M020258	vacuum pump, vacuum mount, beaker mount, refilling adapters
Large Plastic Tubs	Various	n/a	Holds water and soil cores during saturation
METER hammering holder	Hoskin	100255/E240-100201
Rubber Mallet	Home Depot	18CT1031	Sample collection tool used with hammering holder
Shovel	Home Depot	83200
Soil Sampling Ring incl. 2 caps	Hoskin	100254/E240-100101
Stir plate/ Stirring Bar	Various	n/a
Trowel	Home Depot	91365